CN107084713B - 基于光电振荡器的角速度测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光电振荡器的角速度测量方法和装置。包括：光源、第一偏振控制器、电光调制器、Sagnac干涉仪、光电探测器，带通滤波器、微波放大器和功分器，Sagnac干涉仪包括：光环形器、第二偏振控制器、光分束器、Sagnac环、旋转台、偏振器.测量出所述Sagnac环静止时所述功分器输出的振荡信号的频率fosc。测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc，根据fosc、f′osc和光电振荡器的环路的参数，计算出所述角速度Ω。本发明通过将Sagnac环嵌入到光电振荡器中，将角速度Ω导致的Sagnac环的相位变化映射到光电振荡器的振荡频率变化，同时结合光电振荡器产生高质量微波信号和高分辨率微波测量的优势，大大提高了角速度Ω测量的灵敏度和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及角速度测量技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的角速度测量方法和装置。
背景技术
角速度测量技术在军事、航海航空、通信、工业和民用导航等领域发挥着巨大的作用，目前已发展出了很多测量角速度的方法和装置。最开始用于测量角速度的装置为机械式陀螺仪，其采用高速旋转的运动体，不仅成本高、维护困难，而且使用寿命短。20世纪初，Sagnac(萨格纳克)效应的发现为光学陀螺仪的发展奠定了理论基础。当时，光纤技术发展还不成熟，人们采用环形激光腔来测量角速度，该技术方法不需要运动部件，结构简单，使用寿命长，而且可靠性高，逐渐代替了传统的机械式陀螺仪。后来随着光纤制造工艺的发展，低损耗光纤研制成功，基于光纤结构的角速度测量方案以其独特的优势受到越来越多的学者的关注和研究。基于光纤结构的角速度测量装置包括干涉式光纤结构和谐振腔式光纤结构。
基于干涉式光纤结构的角速度测量技术比较成熟，通过光纤环路中沿相反方向传输的两束光的相位差来测量角速度，公式如下:
其中A为光纤所围环路的面积；λ为光的波长；c为光在真空中的传播速度；Ω为光纤环旋转的角速度。为了提高测量灵敏度，一般采用多匝光纤环路来增强Sagnac效应，但是该方法不仅会使结构变得复杂，同时也使得整个系统受外界环境的影响增大。
基于谐振腔式光纤结构的角速度测量技术发展较晚，通过光纤谐振腔中两个相反方向谐振频率的频率差来测量角速度，公式如下
其中A′为谐振腔的面积；λ′为谐振波波长；L为谐振腔长度；Ω′为谐振腔旋转的角速度。但是该方法需要高相干性光源，这在实践中难以实现。另外，谐振腔振荡频率的线宽会影响测量精度的提高，因此需要高质量的振荡信号，而目前的光纤谐振腔产生的光波信号的线宽难以满足高精度测量角速度的需求。
另外在利用光学设备(如光学频谱分析仪)进行测量时，由于光学设备的低分辨率和低反应速度，影响了测量系统的性能。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于光电振荡器的角速度测量方法和装置，以实现有效地测量出Sagnac环旋转的角速度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于光电振荡器的角速度测量装置，包括：光源、第一偏振控制器、电光调制器、Sagnac干涉仪、光电探测器，带通滤波器、微波放大器和功分器，所述Sagnac干涉仪包括：光环形器、第二偏振控制器、光分束器、Sagnac环、旋转台、偏振器；
所述第一偏振控制器的输入端与所述光源连接、输出端与所述电光调制器连接，所述电光调制器通过光纤连接所述Sagnac干涉仪，所述光电探测器的输入端与所述偏振器连接、输出端与所述带通滤波器连接，所述微波放大器的输入端与所述带通滤波器连接、输出端与所述功分器连接，所述功分器输出的电信号中的一部分加载到电光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出。
进一步地，所述电光调制器的输出端通过光纤连接所述光环形器的a端，所述第二偏振控制器与所述光环形器的b端连接，所述光分束器与所述第二偏振控制器、所述Sagnac环连接，所述光环形器的c端连接所述偏振器，所述Sagnac环作为角速度测量单元置于旋转台上，以某一角速度进行旋转。
进一步地，所述电光调制器由振荡频率为fosc的光电振荡器振荡微波信号驱动调制，输出含有fc和fs两个频率分量的偏振正交调制光信号，所述fc和所述fs相互偏振正交。
进一步地，所述第二偏振控制器使所述电光调制器输出的偏振正交调制光信号中的两个偏振正交频率分量fc、fs的偏振态分别与所述光分束器的两个输出端口的透光主轴平行。
进一步地，将所述电光调制器输出的偏振正交光信号中的两个频率分量fc、fs分别以相反的方向在Sagnac环中传输，经过所述光环形器的c端到达所述偏振器，所述两个频率分量fc、fs的偏振态投影到所述偏振器主轴上，进行偏振干涉，偏振角度关系满足两偏振正交频率分量fc、fs与所述偏振器主轴成45°或135°。
进一步地，所述Sagnac环由光纤构成。
一种基于光电振荡器的角速度测量方法，包括：
光源产生连续偏振光，将所述连续偏振光传输给第一偏振控制器，所述第一偏振控制器对所述连续偏振光进行调节后传输给所述电光调制器；
将光电振荡器产生的振荡微波信号加载到所述电光调制器射频端，对由第一偏振控制器输出的光信号进行调制，产生含有fc和fs两个频率分量的偏振正交调制光信号，所述fc和所述fs相互偏振正交，将所述偏振正交调制光信号传输给所述Sagnac环；
所述Sagnac环输出的干涉后的信号经过光电探测器转变为电信号，所述电信号经过带通滤波器、微波放大器后传输给所述功分器，所述功分器输出的一部分电信号加载到电光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，所述功分器输出的另一部分电信号作为振荡信号输出；
测量出所述Sagnac环静止时所述功分器输出的振荡信号的频率fosc，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc，根据所述fosc、f′osc和所述光电振荡器的环路的参数，计算出所述角速度Ω。
进一步地，所述第一偏振控制器调节光源输出的连续偏振光的偏振态，控制所述连续偏振光的偏振态与所述电光调制器的主轴之间的角度关系。
进一步地，所述测量出所述Sagnac环静止时所述功分器输出的振荡信号的频率fosc，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc，根据所述fosc、f′osc和所述光电振荡器的环路的参数，计算出所述角速度Ω，包括：
当Sagnac环静止时，所述功分器输出的振荡信号的频率fosc的计算公式如下：
其中c为光在真空中的传输速度，n为光电振荡环的等效折射率；L为光电振荡器的环路长度，m为振荡信号的模式或阶数；
当所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时，所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc的计算公式如下：
其中A为所述Sagnac环的面积；
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过将Sagnac环嵌入到光电振荡器中，将角速度Ω导致的Sagnac环的相位变化映射到光电振荡器的振荡频率变化，同时结合光电振荡器产生高质量微波信号和高分辨率微波测量的优势，大大提高了角速度Ω测量的灵敏度和分辨率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于光电振荡器的角速度测量装置的结构图；
图2为本发明实施例一提供的一种采用双平行马赫曾德尔调制器产生偏振正交的fc和fs的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
光电振荡器是一种基于微波光子学技术的光生微波方案，能够产生高Q值、低相位噪声和高稳定度的微波信号。光电振荡器是由光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波放大器、滤波器和功分器等组成的正反馈谐振腔结构，其工作过程为：光源产生频谱宽度较窄的连续光，经电光调制器调制后进入一段光纤传输，然后由光电探测器转变成电信号；该电信号经过滤波器和微波放大器后，由功分器分成两部分；其中一部分加载到电光调制器的射频输入端，形成正反馈环路，另一部分作为振荡信号输出。当环路中的增益足以补偿环路中的损耗时，环路中就可以形成稳定振荡的微波信号，该振荡信号的频率与滤波器的中心频率和环路的长度有关。对于角速度测量技术来说，光电振荡器是一种理想的谐振腔。
本发明实施例提出了一种基于光电振荡器的角速度测量方法和装置，该装置通过将Sagnac环嵌入到光电振荡器中，将角速度Ω导致的Sagnac环的相位变化映射到光电振荡器的振荡频率变化，同时结合光电振荡器产生高质量微波信号和高分辨率微波测量的优势，大大提高了角速度Ω测量的灵敏度和分辨率。
本发明实施例提出的一种基于光电振荡器的角速度测量装置的结构示意图如图1所示，包括光源(1)、第一偏振控制器(2)、调制器(3)，一段光纤(4)、光环形器(5)、第二偏振控制器(6)、光分束器(7)、Sagnac环(8)、旋转台(9)、偏振器(10)、光电探测器(11)，带通滤波器(12)、微波放大器(13)和功分器(14)。
所述光源(1)用于产生光载波，所述第一偏振控制器(2)的输入端与光源(1)连接，输出端与电光调制器(3)连接，其用于调节光源(1)输出光的偏振态，控制光源(1)输出光的偏振态与电光调制器(3)主轴的角度关系。
所述光源(1)用于产生的连续偏振光经第一偏振控制器(2)后进入电光调制器(3)；该电光调制器(3)将加载在射频端的微波信号调制在光载波fc上后，产生包含两个频率分量fc和fs的偏振正交光信号，两个频率分量fc和fs相互偏振垂直。在实际应用中，上述fc可以为光载波，上述fs可以为一阶边带调制信号。
如图2所示，为采用双平行马赫曾德尔调制器产生偏振正交的fc和fs的结构图。双平行马赫曾德尔电光调制器由两个子马赫曾德尔调制器MZM1、MZM2并联而成的。所述第一偏振控制器(2)控制光源(1)输出光的偏振态，使其与电光调制器(3)的主轴成角度θ(a点)，此时，位于电光调制器(3)主轴上的光信号被调制，而与主轴垂直方向上的光信号基本不被调制。设电光调制器(3)的主轴为y轴，与之垂直的方向为x轴。光电振荡器产生的振荡微波信号经功分器(15)分成两部分，其中一部分加载到MZM1的射频端，另一部分经过相移器(16)进行90°相移后加载到MZM2的射频端。调节加载到电光调制器(3)上的偏置电压Vbias1和Vbias2，使调制方式为载波抑制调制，则在小信号调制、忽略高阶边带的情况下，y轴上只有正、负一阶边带，x轴上只有载波分量fc。在上述情况下，MZM1输出(b点)的正、负一阶边带的相位都是0，而MZM2输出(c点)的正、负一阶边带的相位分别是-90°、90°。进而调节偏置电压Vbias3，使b点信号的相位改变90°，则在d点输出的正、负一阶边带的相位分别都是90°。c点和d点的信号e点耦合在一起时，由于负一阶边带相差180°而相消，最终产生偏振正交的载波fc和正一阶边带fs两个频率分量。
电光调制器(3)是用于对光源输出的连续偏振光进行调制，产生偏振正交光信号，其可以是双平行马赫-曾德尔调制器，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器或根据需要可以用于产生偏振正交光信号的其他调制器或装置。
所述的光环形器(5)、第二偏振控制器(6)、光分束器(7)、Sagnac环(8)、旋转台(9)和偏振器(10)形成一Sagnac干涉仪。偏振态相互正交的fc和fs经过一段光纤(4)传输后，由光环形器(5)进入Sagnac干涉仪。
所述第二偏振控制器(6)与光环形器(5)的b端连接，用于使fc和fs的偏振态分别与光分束器(7)的两个输出端口的透光主轴平行。从而分离成两束光。
所述光分束器(7)与第二偏振控制器(6)连接，用于基于偏振分束原理将两个偏振频率分量fc和fs分成两路，使fc和fs分别以顺时针和逆时针方向进入Sagnac环(8)，以相反的方向进行传输。
所述Sagnac环(8)置于旋转台(9)上，实现以某一角速度进行旋转。所述Sagnac环(8)由光纤构成，可为普通单模光纤、保偏光纤或其他根据需要所使用的光纤。
所述偏振器(10)与光环形器(5)的c端连接，偏振器(10)的透光主轴与fc和fs的偏振态成45°或135°，从而使得fc和fs在偏振器(10)输出端进行偏振干涉。上述偏振角度关系满足两偏振正交频率分量fc,fs与所述偏振器主轴成45°或135°”可以包括三种情况：
1：fc和fs都分别与所述偏振器主轴成45°或135°”；
2：fc与所述偏振器主轴成45°，fs与所述偏振器主轴成135°”；
3：fs与所述偏振器主轴成45°，fc与所述偏振器主轴成135°”。
所述Sagnac环(8)输出的干涉后的信号经过光电探测器(11)转变为电信号，再经过带通滤波器(12)、微波放大器(13)后，由功分器(14)分成两部分，其中一部分加载到电光调制器(3)的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为振荡信号输出。
当Sagnac环静止时，整个振荡环路的长度为L，产生的振荡信号的频率为fosc；当Sagnac环以某一角速度进行旋转时，产生的振荡信号的频率为f′osc，频率变化量与Sagnac环的角速度相关。
光电振荡器的频率响应类似F-P谐振腔，当Sagnac环静止时，其产生的荡信号的角频率的计算公式如下：
ωmτ＝2πm (3)
其中ωm为振荡信号的角频率，ωm＝2πfosc，m为正整数，表示振荡信号的模式或阶数，不同的模式代表不同的频率；τ为振荡信号经过整过环路的延迟时间。这里假设信号的初始相位为0。这时，产生的振荡信号的频率为：
其中c为光在真空中的传输速度；n为光电振荡环的等效折射率；L为光电振荡器的环路长度，主要包括两部分：一是光电振荡环中光路长度，为调制器至光电探测器之间的光路长度，包含所述光纤(4)长度、Sagnac环长度以及环中各器件的连接跳线长度等；二是环路中光电探测器至调制器之间微波线的等效长度。
当Sagnac环以角速度Ω进行旋转时，则fc和fs经Sagnac干涉仪传输后产生的相位差变化为：
其中，为频率分量fc的传输常数；
为频率分量fs的传输常数；其中n为光纤的折射率，c为光在真空中的传输速度。
为两束光因Sagnac效应导致的传输长度差，A为Sagnac环的面积。此时，OEO产生的振荡信号的角频率满足：
ω′m＝2πf′osc，振荡信号的频率为：
其中
从上述公式可以看出，角速度会影响光电振荡器的振荡频率，因此可以通过频率的变化量来测量角速度。
Sagnac环旋转引起的频率变化量与Ω成正比，系数其中，fosc和f′osc可以通过仪器测量得到，由此可测量出角速度Ω，
上述方案的一个特点是产生偏振正交光信号，包含两个偏振正交的频率分量，利用偏振分束器使进入Sagnac环的两个偏振正交频率分量分别以顺时针和逆时针相向传输。偏振正交光信号可以通过很多方式来产生。例如可使用双偏振IQ调制器、偏振调制器单独产生，也可采用声光调制器和反射镜组合、偏振分束器和两个马赫曾德尔调制器组合来产生，另外将双驱动马赫曾德尔调制器或双平行马赫曾德尔调制器嵌入到Sagnac环中，利用其单向调制特性来产生等。
综上所述，本发明实施例通过利用光电振荡器作为谐振腔，产生的振荡微波信号相位噪声较低、稳定性较好，可提高角速度测量的精度；通过将Sagnac干涉仪嵌入到光电振荡器中，由干涉引起的相位差影响谐振腔的谐振频率，使得谐振频率的变化量随角速度变化的系数增大，从而提高了角速度测量的灵敏度；进入Sagnac环的两个偏振正交频率分量分别以顺时针和逆时针相向传输，避免了其在环路中双向传输时的干涉，进一步提高了系统的性能。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，包括：光源、第一偏振控制器、电光调制器、Sagnac干涉仪、光电探测器，带通滤波器、微波放大器和功分器，所述Sagnac干涉仪包括：光环形器、第二偏振控制器、光分束器、Sagnac环、旋转台、偏振器；
所述第一偏振控制器的输入端与所述光源连接、输出端与所述电光调制器连接；
所述电光调制器由振荡频率为fosc的光电振荡器振荡微波信号驱动调制，输出含有fc和fs两个频率分量的偏振正交调制光信号，其输出通过光纤连接所述Sagnac干涉仪；
所述Sagnac干涉仪中，fc和fs两个频率分量由偏振分束器分离成两束，分别沿着Sagnac环的正反向进行传输；所述fc和fs两个频率分量沿Sagnac环传输一周后由光环形器经过起偏器进行干涉；
所述光电探测器的输入端与所述偏振器连接、输出端与所述带通滤波器连接，所述微波放大器的输入端与所述带通滤波器连接、输出端与所述功分器连接，所述功分器输出的电信号中的一部分加载到电光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出。
2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述电光调制器的输出端通过光纤连接所述光环形器的a端，所述第二偏振控制器与所述光环形器的b端连接，所述光分束器与所述第二偏振控制器、所述Sagnac环连接，所述光环形器的c端连接所述偏振器，所述Sagnac环作为角速度测量单元置于旋转台上，以某一角速度进行旋转。
3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述第二偏振控制器使所述电光调制器输出的偏振正交调制光信号中的两个偏振正交频率分量fc、fs的偏振态分别与所述光分束器的两个输出端口的透光主轴平行。
4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述Sagnac环由光纤构成。
5.一种基于光电振荡器的角速度测量方法，其特征在于，适用于权利要求1至4任一项所述的装置，包括：
光源产生连续偏振光，将所述连续偏振光传输给第一偏振控制器，所述第一偏振控制器对所述连续偏振光进行调节后传输给所述电光调制器；
将光电振荡器产生的振荡微波信号加载到所述电光调制器射频端，对由第一偏振控制器输出的光信号进行调制，产生含有fc和fs两个频率分量的偏振正交调制光信号，所述fc和所述fs相互偏振正交，将所述偏振正交调制光信号传输给所述Sagnac环；
所述Sagnac环输出的干涉后的信号经过光电探测器转变为电信号，所述电信号经过带通滤波器、微波放大器后传输给所述功分器，所述功分器输出的一部分电信号加载到电光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，所述功分器输出的另一部分电信号作为振荡信号输出；
测量出所述Sagnac环静止时所述功分器输出的振荡信号的频率fosc，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc，根据所述fosc、f′osc和所述光电振荡器的环路的参数，计算出所述角速度Ω。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一偏振控制器调节光源输出的连续偏振光的偏振态，控制所述连续偏振光的偏振态与所述电光调制器的主轴之间的角度关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述测量出所述Sagnac环静止时所述功分器输出的振荡信号的频率fosc，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc，根据所述fosc、f′osc和所述光电振荡器的环路的参数，计算出所述角速度Ω，包括：
当Sagnac环静止时，所述功分器输出的振荡信号的频率fosc的计算公式如下：
其中c为光在真空中的传输速度，n为光电振荡环的等效折射率；L为光电振荡器的环路的长度，m为振荡信号的模式或阶数；
当所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时，所述功分器输出的振荡信号的频率f′osc的计算公式如下：
其中A为所述Sagnac环的面积；
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